摘要：通过对几种中外微机型输电线路继电保护进行的比较，内容0　前　言　　微机型继电保护由于具有功能强、维护调试方便等一系列优点，自问世以来就受到普遍重视与欢迎，近年来更是在国内外得到广泛应用。由于输电线路保护在继电保护中具有重要地位，且随着超高压、长距离输电线路的发展，对输电线路保护的功能提出了更新更高的要求，加之输电线路保护本身具有的复杂功能和逻辑，使微机保护在输电线路保护这一领域获得了广泛应用。本文结合自身体会，对国内外常用的几种微机型线路保护装置的一些特点进行了分析与比较，主要侧重于原理与功能方面的探讨。这里介绍的保护装置是国产WXB-11型线路微机保护和美国SchweizerEngineeringLaboratary推出的SEL-321型线路保护装置、SEL-279型自动重合闸装置和ABB公司的TCF-10B型移频式高频收发讯机。1　装置简介　　WXB-11型微机线路保护采用插件式结构，设置了硬件完全相同的高频、距离、零序、综重4个插件，每个插件独立完成一种保护功能。其人机对话功能通过打印机和人机对话插件完成。同高频收发讯机配合可以实现110kV及以上电压等级的输电线路继电保护的全部功能。此外，该保护能储存故障前20ms和故障后40ms的各相电压、电流采样值并打印出来，相当于故障录波，并具有故障测距功能。　　SEL-321型微机保护采用一体化机箱，面板上设有液晶显示屏和控制按钮，正常运行时可以从液晶显示屏上读出各相电压、电流有效值，并且可以显示日期等信息。该装置具有15个可编程触点输出，面板上还设有一个RS-232标准串行口，可以与个人电脑联接，这样可以方便地进行整定和事件报告。保护动作前后的电压、电流及各部分的动作过程都记录在事件报告中，供运行人员查阅。在保护功能方面，具有四段三相/相间阻抗圆；两段振荡闭锁用矩形阻抗特性；两段负荷阻抗特性；四段接地阻抗圆；四段矩形接地阻抗特性；四段反时限相电流过流元件并模拟复归功能；反时限负序/零序电流元件(以上电流元件可由功率方向或阻抗元件控制)；四段瞬动或定时限负序电流/零序电流元件。除了以上保护功能外，该保护也具有故障测距功能。该保护本身不具备重合闸功能，该功能由其他装置来实现。该保护可以与高频收发讯机配合，构成输电线路的全线速动保护。2　阻抗元件　　在WXB-11型微机线路保护中，高频部分和距离部分各自设有独立的相间阻抗元件，距离部分还设有接地阻抗元件(阻抗元件均采用多边形特性)，如图1所示。图1　WXB-11型微机保护阻抗元件动作特性　　阻抗元件动作特性确定为多边形，一是因为通过阻抗计算求得的X和R分量和此动作特性相比较以判定是否在区内最方便；二是此种特性轻易满足长线路和短线路的不同要求。对短线路可以加大RDZ/XDZ值，以增强答应过渡电阻的能力；对长线路则可以减小RDZ/XDZ值，以避越负荷阻抗。图中第二象限和第四象限的边界线均倾斜15°，是因为tg15°≈1/4，实现最方便。为了提高长线路避越负荷阻抗的能力，多边形的一边与实轴的夹角选定为60°，α角的选择原则应以躲区外故障时的超越为准。　　SEL-321的阻抗动作特性则比较复杂。图2是三相/相间阻抗特性，图3是接地阻抗特性。图2　SEL-321型微机保护的三相/相间阻抗特性图3　SEL-321型微机保护接地阻抗特性　　从以上图中可以看出，SEL-321的三相/相间阻抗特性是典型的方向阻抗圆特性，振荡闭锁用的阻抗特性则采用矩形特性。所有阻抗特性都可以设置为正/反方向，其接地阻抗特性则分为方向圆特性和矩形两种，正向三段，反向一段，可在整定时选择所需的阻抗特性。3　启动元件和振荡闭锁WXB-11型微机线路保护的高频、距离、零序、综重4个插件中都设有各自的由差突变量原理构成的启动元件，用于启动各自的判别程序。4个启动元件还可以驱动中间继电器QDJ，除综重以外的三个QDJ接成三取二回路，即只有当三个QDJ中有两个动作时，跳闸回路才答应开放。此外，高频插件中的QDJ还可以驱动QXJ，启动收发讯机发讯。　　SEL-321型微机保护中的各段相间/三相阻抗元件和接地阻抗元件都设有各自的过电流启动元件，可独立整定，用于启动各段阻抗元件。　　这两种微机保护中都设有振荡闭锁元件。WXB-11型微机保护除了常规的阻抗三段之外，按感受阻抗先有突变而后持续0.1s不变的原理来检出振荡中的短路故障，从而设置了带0.2s延时的相间一段和接地一段，该原理动作条件如下：　　a.感受阻抗先有一个突变；　　b.阻抗突变后又在0.2s内电阻分量变化很小；　　c.阻抗0.2s均在一段范围内。　　当满足上述三个条件后，保护动作不再选相，一律跳三相。　　SEL-321型的振荡闭锁原理与传统的同心圆振荡闭锁原理相同，只是动作特性由同心圆改为两个矩形，如图2。当感受阻抗在这两个矩形之间的停留时间长于设定值时，保护的有关各段将被闭锁，被闭锁的时间也可以整定。4　控制与逻辑WXB-11的各项控制功能是由控制字来实现的。4个独立的保护元件中均有各自的控制字，每个控制字由16位二进制数来表示，若置“1”则投入该功能，置“0”则闭锁该功能。这些控制字作为定值的一部分，确定了保护的功能。　　SEL-321的控制与逻辑功能是通过一种名叫SEL-logic的逻辑表达式来表示的。该保护的每段保护区、振荡闭锁元件和各项内部固定逻辑(如手合故障线路等)都有固定的逻辑变量与之相对应，还可以人为设置一些逻辑变量，这些逻辑变量与逻辑运算符配合构成了逻辑表达式，从而大大丰富了保护功能提高了保护灵活性，可以适应不同的保护要求，这可以说是SEL-321独具特色的一项功能。这里举两例说明：　　例1.MTCS=M2P Z2G　　式中MTCS表示在高频或其他通讯手段控制下的跳闸功能，M2P表示相间距离段，Z2G表示接地距离二段，“ ”表示“或”逻辑，所以该式的意思是在相间距离二段或接地距离二段动作，并满足通讯逻辑时，保护将出口跳闸。　　例2.MTU=M1P Z1G M2PT Z2GT M3PT Z3GT 51NT　　式中MTU表示无条件跳闸，其他变量的含义是：　　M1P——相间距离一段带延时；　　Z1G——接地距离一段带延时；　　M2PT、M3PT——相间距离二、三段带延时；　　51NT——零序反时限过流带延时。　　显然上式的意思是以上任一种保护功能动作时，保护将无条件出口跳闸。5　零序保护与过电流保护WXB-11的零序保护主要性能包括：　　a.设置了4段全相运行时投入的零序保护、两段非全相运行时投入的不灵敏段零序保护。各段零序保护的方向元件均可由控制字整定投入或退出；重合加速全相运行零序保护二、三、四段亦可由控制字分别投入或退出；后加速时间固定为0.1s，另外零序一段在重合闸后带0.1s延时投入；　　b.本装置保护由IA或3I0突变量启动，为防止电流互感器断线导致零序保护误动，特设置了3U0突变量闭锁，此功能可由控制字整定投入或退出。　　由以上可见，WXB-11的零序保护的核心是定时限过流特性，而SEL-321的零序保护除设有定时限过流元件之外，还设有反时限过流元件，同时SEL-321还设有定时限/反时限相电流/负序电流元件。大量使用反时限过电流元件是欧美继电保护的一个重要特点，不仅早期的感应型元件，后期发展起来的集成电路(SolidState)继电保护以及微机保护中都广泛采用了这种特性。美国和国际电工委员会(IEC)各自规定了4种反时限过流元件特性曲线及公式。　　选择哪一条反时限特性曲线完全取决于负荷特性和与其他相邻继电保护相配合。反时限特性非凡适用于保护直配线、变压器、电动机以及低压配电线路，尤其是在线路有分支线，且分支线用高压熔断器保护时具有更优秀的保护特性。在我国，反时限过流保护学习。6　事件报告WXB-11在系统故障时能通过打印机打印多种信息，如故障时刻、故障类型、短路点距保护安装处距离、各种保护动作情况和动作时间顺序及每次故障前20ms和故障后40ms各相电压/电流采样值。　　SEL-321在以下四种情况之一时，产生事件报告。　　a.保护出口跳闸；　　b.键入Trigger(启动报告)命令；　　c.由SEL-logic控制的启动报告的事件发生；　　d.外部启动。　　产生的事件报告有4种形式，可根据需要任选一种：　　a.摘要模式：简要显示故障信息及动作顺序；　　b.缺省模式：每隔1/4周期记录一次采样值及继电器动作顺序；　　c.延长模式：每隔1/16周期记录一次采样值及继电器动作顺序；　　d.计算机模式：通过RS-232标准串行口与PC机相联，并应用专门程序读出事件具体记录并产生故障录波图。7　高频保护WXB-11型微机保护的高频保护元件在相间故障时用高频距离保护，单相接地故障时用高频零序方向保护，但同装置内的距离和零序保护插件相互独立。高频保护自身带有方向元件，其主要性能如下：　　a.相电流差突变量启动元件在电网发生故障时，启动元件动作驱动QDJ，并首先执行一个由相电流差突变量原理构成的选相程序，判定故障类型及相别；　　b.若判定为相间故障时，则计算故障相间阻抗，并由带记忆的多边形方向阻抗动作特性判别方向；正方向时，驱动TXJ动作，并等待对侧信息。在两侧均为正方向时出口跳三相，假如经100ms不跳闸，进入振荡闭锁状态，闭锁高频距离；　　c.如判定为单相接地故障，由零序方向元件判别方向，在对侧也是正方向时出口跳闸，如判定为反方向，立即进入振荡闭锁状态；　　d.通过控制字可以选择闭锁式或答应式两种工作方式。　　闭锁式：由QDJ触点启动发信，由TXJ控制停信。装置的收信输入端子监视收发讯机收信继电器触点的状态，保护动作的判据是QDJ动作后至少连续5ms后收不到信号，并且本侧在停信状态。　　答应式：不用QDJ触点去启动发信，而用TXJ常开触点去控制发信，向对侧发送答应信号。保护动作跳闸的判据是本侧判定为正方向，同时有收到对侧发来的答应信号；　　e.本装置工作于闭锁方式时，要求收发讯机具有远方启动功能。　　SEL-321型微机保护本身不设有单独的高频保护，但是可以通过整定值选择高频保护逻辑，并与该保护中有关阻抗元件配合，构成完整的高频保护。SEL-321最常用的高频保护逻辑叫做“方向比较解锁式”(简称DCUB)，这是一种国外常见而国内很少见的高频保护逻辑，这里有必要做一介绍。　　方向比较解锁系统(DCUB)，在正常运行时连续传送一个闭锁信号，而在线路故障时传送一个解锁信号，这要求收发讯机是一种长期发讯移频式收发讯机。正常运行时长期发送一个闭锁(监控)频率，区内故障时，发讯机将频率改变为“解锁”(跳闸)频率。正常运行时发信功率为1W，区内故障发讯机移频后将发信功率增至10W。　　简化的DCUB逻辑框图如图4所示，保护示意图和直流回路图如图5所示。如图，每个断路器的故障检测元件应检测出被保护线路上的所有故障，它可以是相间/接地距离元件，也可以是方向元件，但必须将保护区延伸到下一线路始端。两侧的发收讯机使用不同的工作频率，也就是说每台收发讯机的发信频率和收信频率不同，这是DCUB逻辑一个独具的特色。在正常运行时，收讯机收到对侧发来的闭锁频率，解锁频率收不到，因此或1输出为0，从而与1、与2输出为0，或2输出为0，RR不动作，CKJ不出口。区内故障时，如FI，两侧故障检测元件P均动作，启动收发讯机将频率移至解锁频率，并预备好跳闸回路，假如收讯机收到解锁频率，经或2直接输出启动RR，从而CKJ出口跳闸，同时使与1输出为0，停止计时。若由于区内故障，信道被破坏，收讯机收不到解锁频率，这时由于两个频率都消失，或1输出为1，与1输出也为1，在时间元件计时未到150ms之前与2输出也为1，从而经或2输出启动RR出口跳闸。在150ms后，或2将被闭锁，同时输出闭锁信号。区外故障时，如FE，很显然两侧的P和RR只能有一个动作而不可能同时动作，保护不会出口跳闸。正常运行时，假如信道故障，两个频率都消失，则在150ms后闭锁保护并发信号。图4　简化的DCUB逻辑框图图5　应用DCUB逻辑的线路保护示意图和直流回路图DCUB逻辑与我国通用的闭锁式和答应式高频逻辑相比，既具有闭锁式的可靠性，又具有答应式的安全性，同时由于采用长期发信，能起到信道监视的作用，保证不会误跳闸，只有在区外故障后150ms内信道故障这种极恶劣的情况下保护才可能误动。而且由于不需要启动元件，简化了直流回路，使得整套保护更加简单可靠。以上这些优点使这种逻辑成为高频保护中最具优越性的逻辑，在国外已泛应用，技术上也十分成熟，而在国内这种逻辑却很少，我们应当认真加以研究。　　这里顺便介绍一下DCUB逻辑所需要的TCF-10B型可编程移频收发讯机，它除了具有前面介绍过的基本逻辑之外，还具有远方跳闸功能，即在正常运行时，发讯机发出中心频率fc，区内故障时发出解锁频率fh=fc Δf，远方跳闸时发出另一个下移的频率f1=fc-Δf,fc可在面板上整定，Δf则取决于收发讯机带宽。这套收发讯机采用插件式结构，内部主要采用集成电路元件和晶体振荡器。此外，TCF-10B还可以选择设置语言接口插件，可联接电话进行全双工通信。8　重合闸　　在我国，对于重合闸装置的基本要求是能确定故障相，能检无压或检同期，在故障后经一定延时重合，且只重合一次。WXB-11的综重元件靠软件来实现了以上功能。对于转换性故障，在单跳后又三跳时，由软件保证重新计时，软件同时设置一个计数器，以模拟重合闸电容充电，每次上电复位或重合后都有15s的充电时间预备，以防止多次重合。如保护发出单跳令，但充电未预备好，此时将由综重发三跳令，以防止线路长期非全相运行。　　而在国外，在高电压输电线路上常采用瞬时重合闸，即在断路器跳开后立即重合，不经延时也不检同期，这是因为国外的输电线路大都采用多回线环网供电，且采用全线路速动保护。此外国外还通常采用多次重合闸，每次重合闸的时间可以整定。参考文献［1］认为多次重合闸确实能提高重合成功率，但是第二、三次重合成功率要明显小于第一次重合。　　SEL-279就是根据以上原则设计的微机型重合闸装置，它用软件模拟一个多触点的时间继电器，如图6所示。图6　SEL-279的时间特性　　从图上可以看出，这个时间继电器共有8个重合时间整定点MT1D至MT8D，一个闭锁时间整定点MTPD。每个整定点的延时均可独立整定，也可以不整定。对于每个重合闸整定点，可分别通过控制字来整定为非同期，检无压或检同期。当断路器跳闸启动重合闸后，重合时间继电器动作，每到达一个整定点，假如满足该点所规定的重合闸条件即可发重合令，如不满足就继续计时，直至到达合适的整定点。假如重合成功，则时间继电器继续计时至MTPD，然后启动复位定时器(<时间另行整定)，复位计时器时间到后，回到起始(复位)状态。如在某一整定点重合不成功，重合时间继电器继续计时，到达下一个重合整定点再发重合令。假如重合一直不成功，则在重合时间继电器计时到MTPD后，进入闭锁状态，不启动复归计时器并发信号。　　笔者认为，由于运行要求的不同，我国不采用多次重合闸，但对于无人值班的变电所还是多次重合闸更具优势。瞬时重合闸和多次重合闸对断路器的性能提出了更高的要求。在国外，由于较多采用桥型或3/2断路器接线方式，每条线路由两台断路器供电，一般地，其中一台采用高速重合闸和一个长延时重合闸，另一台采用短延时重合闸。当线路故障，两台断路器跳开后，其中一台立即重合，如重合成功，另一台则以短延时重合后恢复正常运行。如第一台重合不成，第二台则以短延时重合，假如重合还不成功，通过辅助触点可以闭锁第一台断路器，假如成功了，第一台断路器则以长延时重合恢复正常运行。SEL-279这种多次重合闸装置在这里得到了很好的应用。9　结　束　语　　通过以上的对比与分析，笔者认为两套微机保护各有其特色和优势。WXB-11在保护功能的全面性和可靠性方面见长，而SEL-321和SEL-279则在简化回路和广泛的适用性方面占优。由于国情及运行习惯的不同，两种保护在原理和性能上有些差异，应该从实际出发，相互学习，取长补短，丰富、完善并开发出新的保护原理。同时通过对这两种保护的对比与分析，更加深了对微机保护基本原理的理解，开阔了眼界，活跃了思维，这对于我们继电保护工作者是大有裨益的。参　考　文　献1　J.L.Blackburn.AppliedProtectiveRelaying.WestinghouseElectricCorporation.19822　杨奇逊主编.微型机继电保护基础.北京：水利电力出版社，1988